Viabilidad de Una Planta de Producción de Grafeno
Viabilidad de Una Planta de Producción de Grafeno
Viabilidad de Una Planta de Producción de Grafeno
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Resumen
Ante el reciente descubrimiento del grafeno, un nuevo material con propiedades de gran
inters tecnolgico, la industria busca optimizar sus mecanismos de produccin con el
objetivo de abordar un mercado para el cual se prev un gran crecimiento. La sntesis de
grafeno puede llevarse a cabo mediante diversos procedimientos, si bien para cada uno de
ellos se pueden advertir diferencias respecto la calidad del producto final. Entre tales
procesos, se distinguen dos grupos: aquellos que parten de tomos de carbono para
sintetizar grafeno (mtodos bottom-up), o aquellos que parten de estructuras ms complejas
(mtodos top-down).
Este proyecto, a partir de una investigacin bibliogrfica del tema, propone una planta piloto
para la produccin de grafeno, justificando su viabilidad a partir de determinaciones
tcnicas, econmicas y medioambientales. Entre ellas, se presenta un mtodo de
produccin basado en la deposicin qumica de vapor y enfocado en gran medida a
aplicaciones electrnicas y fotnicas; tambin se detalla una propuesta de los equipos y
necesidades que se requieren para ello.
El estudio justifica adems la viabilidad del proyecto gracias a una previsin de inversin
recuperable en un plazo de tiempo acotado; el anlisis de los gastos e ingresos anuales, as
como de la rentabilidad para un horizonte de evaluacin determinado, tambin proporcionan
argumentos a favor de la realizacin de la planta piloto. Se debe aadir que, para tratar con
la incertidumbre del futuro, se han considerado una serie de hiptesis.
Por otra parte, se ha cuantificado el hipottico impacto medioambiental de la planta piloto,
as como se han buscado y encontrado soluciones adecuadas para cumplir, en todo
momento, con la normativa vigente.
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Memoria
Pg. 3
Sumario
RESUMEN ___________________________________________________ 1
SUMARIO____________________________________________________ 3
1.
PREFACIO________________________________________________ 7
1.1.
Origen del proyecto ......................................................................................... 7
1.2.
Motivacin ........................................................................................................ 7
2.
INTRODUCCIN ___________________________________________ 9
2.1.
Objetivos del proyecto ..................................................................................... 9
2.2.
Metodologa ..................................................................................................... 9
2.3.
Alcance del proyecto ....................................................................................... 9
Pg. 4
Memoria
CONCLUSIONES ____________________________________________ 89
BIBLIOGRAFA ______________________________________________ 91
Referencias bibliogrficas ....................................................................................... 91
Bibliografa complementaria ................................................................................... 93
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1. Prefacio
1.1. Origen del proyecto
El grafeno es un nuevo material con propiedades fsicas y qumicas excepcionales, las
cuales prometen un gran impacto en diversas reas tecnolgicas. Mientras se estudian sus
posibles aplicaciones, tanto el sector de la investigacin como el de la industria han
mostrado especial inters por el grafeno. Este proyecto pretende, por tanto, adelantarse a
las necesidades de un mercado global en desarrollo.
Actualmente se presentan dos grandes retos: el anlisis de las propiedades de materiales
compuestos que contengan grafeno, y la concepcin de un mtodo para sintetizar grafeno
de alta calidad a gran escala, con costes moderados.
1.2. Motivacin
Este estudio de viabilidad surge de la voluntad de vincular dos aspectos fundamentales de la
ingeniera industrial: la innovacin y el emprendimiento. Un inters personal por las nuevas
tecnologas (en especial aquellas que pueden tener un impacto significativo sobre nuestro
modo de vida), as como un espritu emprendedor, han propiciado su realizacin.
Por otra parte, en la eleccin del tema influyeron diversas ramas de la ingeniera, como son
la tecnologa de materiales, la electrnica y la gestin de proyectos. Ciertas asignaturas
cursadas en la escuela de ingeniera despertaron la curiosidad del autor por estos campos,
e incluso han enfocado notablemente su incipiente carrera profesional.
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2. Introduccin
2.1. Objetivos del proyecto
El objetivo principal de este proyecto es el estudio de viabilidad de una planta piloto de
produccin de grafeno, a partir de criterios tcnicos, econmicos y medioambientales. Por
ello, en primer lugar se busca situar al lector mediante una presentacin del grafeno y sus
caractersticas, para luego comparar las distintas estrategias a seguir. Finalmente se
definirn el proceso de produccin, la instalacin, el impacto econmico y el impacto
medioambiental del plan de negocio.
Por otra parte, se consideran objetivos secundarios del proyecto la adquisicin de
conocimientos sobre la tecnologa asociada al grafeno, as como conocimientos sobre la
realizacin de estudios de mercado y gestin de proyectos.
2.2. Metodologa
Para lograr los objetivos propuestos ha sido necesaria una investigacin bibliogrfica sobre
el grafeno, en particular sobre sus aplicaciones, sus procesos de produccin y su mercado
(es decir, los consumidores y la competencia), por lo que se ha recurrido a diversos artculos
cientficos y libros de texto. Tambin se ha utilizado informacin sobre distintas empresas
del sector.
A continuacin se utilizaron conocimientos y mtodos adquiridos durante los estudios
universitarios para comparar las posibles alternativas y tomar una decisin segn criterios
definidos. Es decir, se ha valorado de forma cuantitativa y cualitativa la estrategia concebida.
Finalmente, se concluye de forma razonada sobre la viabilidad de la propuesta presentada.
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3. Introduccin al grafeno
3.1. Descripcin
El grafeno es una de las formas cristalinas del carbono puro, un elemento qumico que
presenta alotropa (la propiedad de manifestar distintas estructuras qumicas, llamadas
altropos, para un mismo estado fsico). En este material, los tomos de carbono forman
una lmina de grosor monoatmico, y siguen una distribucin hexagonal regular. Otros de
los mltiples altropos del carbono son el diamante, el grafito y los fullerenos.
Segn la IUPAC (Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada), el grafeno se define
como una lmina nica de carbono con estructura graftica, y de naturaleza anloga a un
hidrocarburo aromtico policclico (compuesto orgnico formado por anillos aromticos
unidos, sin presencia de heterotomos tomos distintos a los del hidrgeno y carbono).
Adems, recomienda utilizar el trmino grafeno nicamente cuando se discuta sobre
reacciones, relaciones estructurales u otras propiedades de lminas monoatmicas. [1,2]
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hbridos. En el caso del grafeno, los orbitales de los tomos de carbono se combinan para
formar tres orbitales sp2 y un orbital p. Los tres orbitales sp2 formarn enlaces covalentes
simples con tres tomos de carbono adyacentes (por superposicin de orbitales), y al
encontrarse distribuidos en un mismo plano formando ngulos de 120, explican la
geometra hexagonal del grafeno. Por otra parte, el orbital p restante no formar enlace y se
distribuir por encima y por debajo del plano del grafeno.
Figura 3.2: Configuraciones electrnicas del carbono durante el proceso de hibridacin sp2.
3.1.1.
Carbono
3.1.2.
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Adems del grafeno, el carbono es capaz de presentar varias formas alotrpicas gracias a
su valencia, y cada una muestra unas propiedades diferentes. En la actualidad se han
descubierto nuevas formas de carbono; las ms significativas se mencionan a continuacin.
Carbono amorfo: Se trata del carbono que no exhibe una estructura cristalina. Puede
estar compuesto de pequeos cristales irregulares de estructura de tipo grafito o
diamante, pero a escala macroscpica no muestra una estructura regular.
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3.2. Historia
A continuacin se presenta una cronologa de eventos que contribuyeron a la preparacin,
aislamiento y caracterizacin del grafeno:
1840: El cientfico alemn Schafhaeutl reporta la intercalacin (inclusin de una molcula
entre dos lminas de carbono) y exfoliacin del grafito al utilizar cido sulfrico y ntrico.
1859: El qumico ingls Benjamin Collins Brodie descubre la estructura marcadamente
laminar del xido de grafito, obtenido a partir de grafito puro tratado con clorato potsico
(KClO3) y cido ntrico (HNO3). (El xido de grafito es un compuesto que mantiene la
estructura del grafito, pero con un espaciado entre las lminas mucho mayor e irregular.)
1898: Se propone (Staudenmaier) un mtodo alternativo para la preparacin de xido de
grafito, utilizando mayores cantidades de agente oxidante y cido sulfrico. Esta
modificacin permita llevar a cabo un proceso continuo sin necesidad de aadir cido ntrico
durante la reaccin.
1918: Despus de haberse resuelto la estructura del grafito en 1916 gracias a estudios de
cristalografa, V. Kohlschtter y P. Haenni describen la estructura del papel de xido de
grafito.
1947: El fsico canadiense Phillip Russell Wallace analiza tericamente el grafeno en un
estudio sobre las propiedades electrnicas del grafito.
1948: G. Ruess and F. Vogt publican las primeras imgenes, obtenidas mediante
microscopa electrnica de transmisin (tcnica en la que se proyecta un haz de electrones
a una muestra ultrafina; los electrones que atraviesan esta muestra permiten reconstruir su
imagen y adems, ampliarla), de capas extremadamente finas de grafito.
1962: Boehm, Clauss, Fischer y Hofmann intentan aislar grafeno a partir de compuestos
intercalados. Al reducir qumicamente el xido graftico en un medio alcalino con hidracina
(N2H4), cido sulfhdrico (H2S) o sales de hierro (II), consiguieron carbono laminar
extremadamente fino (es decir, de muy pocas capas) con poca presencia de hidrgeno y
oxgeno. Para determinar el nmero de lminas presentes en cada muestra se recurri a la
microscopa electrnica, y a pesar del relativamente alto grado de error experimental, se
concluy que las muestras ms finas consistan de capas monoatmicas de carbono.
1975: Van Bommel et al. describen la sublimacin epitaxial del silicio a partir de cristales de
carburo de silicio (SiC). En condiciones de vaco y a altas temperaturas, observan la
formacin de lminas monoatmicas de carbono consistentes con la estructura de grafeno
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3.3. Propiedades
3.3.1.
Propiedades estructurales
Estructura bidimensional (es decir, de grosor monoatmico) formada por una red
hexagonal regular de tomos de carbono enlazados.
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Memoria
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3.3.2.
Propiedades mecnicas
En la estructura cristalina del grafeno, el interior de una celda hexagonal (de rea
0,052 nm2) contiene en total dos tomos de carbono, si consideramos que cada
vrtice aporta un tercio de tomo. A partir de estos valores podemos calcular la
densidad del grafeno, ya que se considera un material bidimensional, obtenindose
0,77 mg/m2. Se trata, por tanto, de un material muy ligero.
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Memoria
Las magnitudes que dan cuenta de las propiedades mecnicas del grafeno han sido
medidas gracias a microscopios de fuerza atmica. Este instrumento, basado en la
ley de Hooke, rastrea la superficie de la muestra con una sonda de tipo voladizo (es
decir, empotrada en un extremo) y de punta afilada (piramidal o cnica). Al mismo
tiempo la reflexin de un lser sobre su superficie es captada por un detector de
fotodiodos, de tal modo que se registra la variacin de posicin de la sonda. Esto
permite finalmente reconstruir la superficie de la muestra con gran precisin y medir
sus caractersticas mecnicas. Un estudio en 2008 obtuvo un mdulo de Young (E)
de 1 TPa y una tensin de rotura de 125 GPa,
[8]
Sin embargo, se debe aadir que sus propiedades mecnicas son muy
dependientes del substrato y de los defectos en la estructura, como impurezas.
3.3.3.
Propiedades electrnicas
A pesar de ser una forma alotrpica del carbono (un elemento no metlico, y por
tanto mal conductor de la electricidad), el grafeno se comporta como un
semiconductor de banda prohibida (en ingls, band gap) nula: sus electrones
pueden pasar de la banda de valencia a la banda de conduccin fcilmente, por lo
que su conductividad elctrica es muy elevada.
Un estudio muestra que la conductividad del grafeno tiene un valor mnimo de 4e2/h
(siendo e la carga del electrn, y h la constante de Planck), e incrementa de forma
lineal con la tensin de puerta para ambas polaridades. Tambin se observan las
altas concentraciones de electrones y huecos (tan altas como 1013 cm-2). De la
dependencia lineal entre conductividad y tensin de puerta se dedujo que la
movilidad de electrones y huecos, con valores registrados de hasta 15000cm2V-1s-1,
puede considerarse independiente de la temperatura de 10 a 100 K. Adems, se
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cree que estos valores podran verse aumentados si se eliminan las impurezas del
grafeno. [10] (Figura 3.5.)
El efecto Hall cuntico establece que en un material por el que circule corriente, y
bajo un campo magntico perpendicular al movimiento de portadores de carga, se
producir una separacin de stos, provocando un campo elctrico interior. Es
observado en sistemas bidimensionales sometidos a bajas temperaturas y fuertes
campos magnticos, en los que la conductividad toma valores cuantizados segn
mltiplos enteros. El grafeno muestra un efecto Hall cuntico anmalo: la
conductividad de Hall presenta una cuantizacin de entero, as como un factor
adicional de 4. Por otra parte, el grafeno bicapa tambin muestra un efecto Hall
cuntico anmalo, pero nicamente se observa una de las anomalas.
3.6.)
[10]
(Figura
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Memoria
Figura 3.6: Se representa la conductividad (en rojo) y resistividad (en verde) del grafeno
en funcin de la concentracin de portadores de carga, para un campo magntico de 14
T y una temperatura de 4 K. En pequeo se representa el efecto Hall cuntico para una
bicapa de grafeno. [10]
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3.3.4.
Propiedades pticas
A pesar de tener un grosor monoatmico, el grafeno puede observarse sin recurrir a
tcnicas de microscopa. En cualquier caso, uno de los motivos para depositarlo en
obleas de silicio/dixido de silicio, en algunos casos, es aumentar su visibilidad.
El grafeno presenta efecto Kerr no lineal (variacin del ndice de refraccin cuando el
material est sujeto a un campo elctrico exterior).
[13,14]
(Figura
3.7.)
Figura 3.7: Transmitancia ptica del grafeno para las longitudes de onda del espectro
visible (comparacin entre valores experimentales y tericos). Transmitancia ptica para
muestras de distinto nmero de lminas de grafeno. [14]
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3.3.5.
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Propiedades trmicas
No se ha medido directamente el calor especfico del grafeno. Se espera que a partir
de 100 K, el calor especfico del grafeno sea idntico al del grafito, mientras que para
bajas temperaturas el del grafeno sea superior por la contribucin de fonones
(modos vibratorios de la estructura cristalina) de baja frecuencia. Para temperaturas
elevadas el calor especfico es casi constante, aproximndose a 25 Jmol-1K-1 (lmite
de Dulong-Petit). [15] (Figura 3.8.)
Figura 3.8: Calores especficos del grafeno, grafito y diamante. Las lneas representan
clculos numricos, y los puntos, datos experimentales. [15]
(4,840,44)103 y
Pg. 23
3.3.6.
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Memoria
3.4. Aplicaciones
3.4.1.
Aplicaciones electrnicas
Diodos orgnicos de emisin de luz (OLED) plegables: Estos diodos utilizan una
capa electroluminiscente compuesta de elementos orgnicos. Su rendimiento est
condicionado por la resistencia elctrica y la rugosidad de la superficie. El grafeno
podra resultar una solucin interesante ya que puede modificarse fcilmente su
funcin de trabajo. Tambin es un material atmicamente plano, por lo que se
evitaran prdidas de eficiencia por rugosidad.
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3.4.2.
Aplicaciones fotnicas
Lseres de modo bloqueado: Son lseres que producen pulsos de luz muy breves,
del orden de picosegundos o femtosegundos, con mxima potencia de pico en cada
pulso. Los de tipo pasivo se basan en la absorcin saturable (propiedad de algunos
materiales en los que su absorcin de luz disminuye con el aumento de intensidad
de sta). La relacin entre absorcin de fotones y anchura del material es muy alta
en el grafeno, por lo que sera interesante en lseres de modo bloqueado. Como
slo requieren una pequea rea de grafeno, su comercializacin podra empezar a
finales de la prxima dcada.
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Memoria
3.4.3.
Pinturas: Las pinturas basadas en grafeno pueden utilizarse para tintas conductivas,
protecciones contra interferencias electromagnticas y aplicaciones de barreras para
gases (por la impermeabilidad del grafeno). La tecnologa de produccin para este
tipo de aplicaciones es relativamente simple y se encuentra suficientemente
desarrollada. Se prevn derivados qumicos del grafeno para controlar la
conductividad y opacidad de los productos.
3.4.4.
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3.4.5.
Sensores y metrologa
Al tratarse de una lmina bidimensional de grosor mnimo, las propiedades del grafeno son
muy sensibles a su entorno. Esto ha llevado a idear sensores que lo utilicen, desde
medidores de campos magnticos hasta secuenciadores de ADN, o la medida de la
velocidad de lquidos. Otra aplicacin en este campo seran las galgas extensiomtricas; se
prev que stas sern de gran competitividad. Al tratarse del nico cristal que puede ser
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Memoria
3.4.6.
Aplicaciones biomdicas
3.5.1.
Exfoliacin mecnica
Es el proceso mediante el cual se aplica fuerza mecnica para separar las lminas de
grafeno a partir de grafito. Generalmente esto se lleva a cabo mediante adhesin, como
demostraron Andre Geim y Kostya Novoselov en 2004 utilizando cinta adhesiva, o por
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friccin entre una fuente de grafito y otra superficie (para provocar el deslizamiento de una
lmina de grafeno). La segunda operacin del proceso consistira en la deposicin del
grafeno sobre un substrato normalmente una oblea de Si/SiO2, para aislarlo
elctricamente y facilitar su manipulacin.
Como fuente de grafito es muy comn el uso de grafito piroltico de alto ordenamiento
(highly ordered pyrolitic graphite, o HOPG, en ingls), por su alta pureza (niveles de
impurezas del orden de 10 ppm) y su estructura marcadamente laminar. Esto ltimo permite
la obtencin de grafeno con pocos bordes de grano.
Algunas de las variantes de la exfoliacin mecnica son las siguientes:
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Memoria
3.5.2.
Exfoliacin qumica
Las lminas de grafeno que se apilan para formar grafito pueden ser separadas de forma
qumica. Para conseguirlo, se deben superar las fuerzas de van der Waals que hacen que
dichas lminas se mantengan unidas. Por tanto, se requiere un cierto aporte energtico
(algunos estudios sugieren un valor aproximado de 2 eV/nm2) y un mtodo para aislar el
material producido. El proceso de exfoliacin qumica lleva esto a cabo gracias a la
aplicacin de la energa del sonido para exfoliar las hojuelas de grafeno, y a un solvente,
respectivamente.
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Se pueden utilizar diversas fuentes en este mtodo; sin embargo, cada una tiene sus
inconvenientes. El grafito piroltico de alto ordenamiento es utilizado si se requiere un
producto de alta pureza, pero su estructura cristalina y marcadamente laminar hacen ms
difcil la exfoliacin qumica, por lo que la produccin sera ms costosa (es decir, para una
misma energa aplicada se conseguira menor cantidad de producto final). Las hojuelas de
grafito natural presentan peor cristalinidad y ms errores de apilamiento; adems est
asociado a un gran nmero de impurezas. El grafito de kish, obtenido como subproducto en
la produccin de acero, contiene impurezas de hierro, limitando as el tipo de aplicaciones a
los que dara lugar.
Respecto al uso de energa sonora como mtodo para aportar la energa necesaria para la
exfoliacin, se puede utilizar tanto un bao de ultrasonidos o una sonda de ultrasonidos. El
producto final es sensible a la frecuencia y amplitud del sistema utilizado. Durante tiempos
prolongados de aplicacin de ultrasonidos el solvente puede calentarse, conduciendo a
reacciones qumicas indeseables. Para evitar esto, se utilizan sistemas de circulacin o de
refrigeracin.
El solvente utilizado en la exfoliacin qumica debe impedir que las lminas de grafeno
separadas de la fuente de grafito se vuelvan a unir. Por este motivo se utilizan en gran
medida solventes polares: sus molculas presentan un polo positivo y un polo negativo, que
al interactuar con las lminas de grafeno la aslan de las dems.
Un ltimo paso de este mtodo de fabricacin consiste en la centrifugacin de la muestra, y
as separar el grafeno obtenido de los trozos de grafito que flotan en la superficie.
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Memoria
3.5.3.
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posterior permitira separar las lminas producidas de los residuos (principalmente, el xido
de grafito no exfoliado).
La reduccin final del xido de grafeno se puede realizar gracias a agentes reductores, a un
tratamiento trmico, o a reduccin electroqumica:
Reduccin qumica del xido de grafeno: El principal reto de esta variante surge de
que las lminas de grafeno se agregaran entre s, al no ser solubles en agua. Una
de las soluciones para conseguir grafeno en un medio acuoso es la utilizacin de
hidracina (N2H4) como reductor, consiguiendo grafeno de hidracina y la deseada
dispersin de las lminas por efecto inico. Otros investigadores proponen otros
mtodos para la solubilizacin en agua del grafeno, como por ejemplo su
funcionalizacin qumica con grupos p-fenil-SO3H, de tal forma que al reducir el
xido de grafeno el producto final sean lminas ligeramente sulfatadas de grafeno
(solubles en agua).
Tratamiento trmico del xido de grafeno: Es un proceso que podra usarse tanto
para exfoliar el xido de grafito, como para reducir el xido de grafeno. A una
temperatura crtica de 550 C se descompondran los grupos funcionales adheridos
al grafito, provocando un aumento de la presin. Cuando la presin es demasiado
elevada y supera las fuerzas de van der Waals que mantienen unidas las lminas de
grafeno, ocurrira la exfoliacin. Si bien esta variante necesita de temperaturas
elevadas, es ms rpida que la reduccin qumica.
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Memoria
3.5.4.
La deposicin qumica de vapor (o CVD, por sus siglas en ingls) es uno de los mtodos de
fabricacin de grafeno ms populares en la actualidad. Se trata de un proceso escalable que
utiliza una tecnologa madura a nivel industrial. Tambin se puede implementar a menor
escala en laboratorios. El grafeno fabricado mediante CVD, y en particular depositado sobre
un substrato metlico, permite un producto de superficie continua y relativamente grande,
dando lugar a distintas aplicaciones, en particular aquellas que requieren grafeno de alta
calidad (aplicaciones electrnicas y fotnicas; sensores; aplicaciones biomdicas).
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Memoria
Cabe aadir que la transferencia del grafeno fabricado a otros substratos es uno de los retos
actuales de la industria porque, en caso de requerirse, es un proceso caro y complicado.
Adems, podra daar la calidad del producto final. Una solucin es la deposicin qumica
de vapor sobre catalizadores no metlicos: esto podra ser til para aplicaciones en las que
se requiere un substrato aislante.
3.5.5.
El crecimiento epitaxial sobre carburo de silicio (SiC) es un proceso atractivo para producir
grafeno de alta calidad. Adems, no requiere del uso de metales ni hidrocarburos, por lo que
se trata de un proceso muy limpio. El grafeno fabricado a travs de este mtodo da lugar a
aplicaciones de tipo electrnico (en particular, transistores de alta frecuencia), por las
propiedades que exhibe: alta movilidad de los portadores de carga y superficie considerable.
Sin embargo, presenta dos grandes inconvenientes: la elevada temperatura necesaria (en
torno a 1500C) y el alto coste del precursor (las obleas de SiC).
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En primer lugar se puede llevar a cabo un tratamiento superficial del SiC, para remover
xidos y uniformizar la superficie. Se arguye que superficies ms uniformes proveern en
ltima instancia lminas de grafeno de mayor superficie. Normalmente, los xidos pueden
removerse gracias a un flujo de hidrgeno; tambin se propone combinar hidrgeno y argn
(tpicamente 5% H2 y 95% Ar) a temperaturas de 1600C, con un posterior enfriamiento
lento (en torno a 50C/min) para evitar la cristalizacin del silicio superficial. No obstante,
algunos de estos tratamientos agotan el silicio presente en la superficie, por lo que suele
compensarse con un flujo externo de silicio.
Histricamente, el proceso de sublimacin del silicio se realizaba en vaco, pero se ha
descubierto que una atmsfera inerte de argn conlleva mejores resultados, en cuanto a la
superficie y las propiedades electrnicas del grafeno fabricado. El uso de este gas permite
tambin realizar el proceso a presin ambiente. Cuando se sublima el silicio de la superficie
los tomos de carbono se enlazan, producindose pues la nucleacin y el posterior
crecimiento del grafeno. Las lminas se encuentran dbilmente adheridas al substrato por
medio de las fuerzas de van der Waals.
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Memoria
3.6.1.
A nivel mundial comienza a definirse una cadena de suministro del mercado de grafeno. Por
una parte, algunos procesos utilizan grafito (mtodos basados en la exfoliacin), mientras
que otros, entre los que destaca la deposicin qumica de vapor (CVD), recurren a otros
precursores. La produccin de grafeno puede dirigirse hacia la fabricacin de grandes
superficies o de compuestos basados en l, para ser utilizados tanto en investigacin como
en productos y aparatos. A continuacin se presenta un esquema de ella, que incluye el
nombre de las principales empresas:
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El grafeno ha despertado un gran inters por las numerosas tecnologas en las que podra
tener un impacto significativo. En el caso de la Unin Europea, se cre en 2013 una
iniciativa llamada Graphene Flagship, con un presupuesto de 1000 millones de euros para
los prximos diez aos. En ella participan 126 grupos, tanto acadmicos como industriales,
que pertenecen a 17 pases europeos diferentes. Adems, una parte del presupuesto est
destinada a convocatorias competitivas entre grupos independientes de la UE que deseen
participar.
Espaa es uno de los pases involucrados en esta iniciativa: para el total de grupos
espaoles participantes, se destina un 12% del presupuesto, aproximadamente. A
continuacin se listan los grupos espaoles involucrados, segn el rea de investigacin a la
que estn asignados:
Grupo
rea de investigacin
Sector
Airbus
Nanocompuestos
Privado
Spintrnica
Pblico
Avanzare
Nanocompuestos
Privado
CIC energiGUNE
Energa
Pblico
CIC NanoGUNE
Optoelectrnica
Pblico
Pblico
optoelectrnica, spintrnica
Graphenea
Optoelectrnica
Privado
Produccin
Privado
Optoelectrnica
Pblico
Spintrnica
Pblico
Repsol
Energa
Privado
Salud
Pblico
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Memoria
significativas) de un material de alta calidad y con costes moderados. Influyen por tanto los
avances tecnolgicos en el sector y el coste de los precursores. Segn el mtodo utilizado,
la produccin de grafeno requiere de un precursor u otro; entre los ms relevantes se
encuentran el grafito, el metano, y el carburo de silicio. Por otra parte, el material utilizado
como substrato tambin juega un papel importante en la evaluacin de los costes. El anlisis
econmico de la propuesta presentada tendr en cuenta estos puntos, ya que influyen
directamente en su potencial viabilidad.
3.6.2.
El mercado del grafeno est en fase de crecimiento, mientras se estudian las maneras de
impactar la tecnologa actual con sus notables propiedades. Por ello, la mayor parte de los
consumidores de grafeno en la actualidad son grupos de investigacin. Sin embargo, se
hacen predicciones sobre las cuotas del mercado de grafeno que ocuparn las distintas
aplicaciones. En relacin a esto, se muestra a continuacin informacin de un estudio de
mercado realizado por Future Markets (Figura 3.16):
Figura 3.16: Estudio de mercado sobre la distribucin esperada de las aplicaciones del
grafeno a nivel consumidor. (Fuente: Future Markets.)
Pg. 41
Figura 3.17: Comparacin del nmero de patentes publicadas a partir de 2010 relacionadas
con el grafeno, segn el sector (investigacin, industria, particulares, gobiernos). [18]
Cuota de mercado
Investigacin
55,2%
Electrnica y Fotnica
13,0%
11,2%
8,5%
Sensores y metrologa
0,9%
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Memoria
Biomedicina
1,3%
Otras
9,9%
Tabla 3.2: Cuotas de mercado para los distintos grupos de aplicaciones del grafeno,
incluyendo el sector de investigacin.
Valor de mercado
Estudio
Tasa de crecimiento
anual compuesto
(CAGR)
2013
2018
2023
(millones de $)
(millones de $)
(millones de $)
BCC Research
47,1% (2013-2023)
27
195
1300
Electronics.ca Publications
58,7%
67 (2015)
675 (2020)
Lux Research
39,1% (2012-2020)
9 (2012)
126 (2020)
ID TechEx
100
55,5% (2013-2023)
NanoMarkets
11,8% (2013-2018)
13
23
11
31
141 (2024)
18,5% (2013-2018)
Yole Dveloppement
35,7% (2019-2024)
Tabla 3.3: Previsiones de crecimiento para distintos estudios. (Fuentes: BCC Research, Lux
Research, ID TechEx, Markets and Markets, NanoMarkets, Yole Dveloppement.)
3.6.3.
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Anlisis de la competencia
Figura 3.18: Relacin entre calidad y precio del grafeno producido, segn el mtodo de
fabricacin utilizado. (Fuente: Graphenea.)
Pg. 44
Memoria
concedidas sobre procesos de produccin de grafeno, ambos imperan (en nmero) sobre
los dems. Esto se debe a que la industria intenta adelantarse a la llegada de aplicaciones
de grafeno que requieran una altsima calidad (principalmente, aquellas del sector de la
electrnica, la fotnica, y la energa).
Figura 3.19: Nmero de patentes concedidas a nivel mundial para distintos mtodos de
fabricacin de grafeno. (Fuente: CKMNT.)
Figura 3.20: Nmero de patentes concedidas a nivel mundial para distintos mtodos de
fabricacin de grafeno y segn grupo empresarial. (Fuente: CKMNT.)
Pg. 45
Pg. 46
Memoria
Comercializan los siguientes productos: lminas de grafeno de gran tamao (de 150
cm2 a 2500cm2) sobre un substrato de cobre, as como sobre otros soportes (por
ejemplo, polietileno); cables y piezas recubiertas de grafeno, para mejorar la
conduccin y resistencia mecnica; grafeno en polvo y en suspensin.
Pg. 47
Pg. 48
Memoria
Exfoliacin mecnica.
Exfoliacin qumica.
4.1.1.
Criterios de comparacin
En primer lugar, algunos de los criterios a evaluar se refieren a la calidad del producto final:
Pg. 49
Aplicaciones: Se listan para cada proceso los distintos grupos de aplicaciones que
potencialmente podra cubrir. As pues, se considerar la clasificacin de
aplicaciones propuesta en el apartado 3.6.2.
Pg. 50
4.1.2.
Memoria
Anlisis multicriterio
Producto final
Dimensin
(mm)
Exfoliacin
mecnica
>1
Tamao
de grano
(m)
> 1000
Nmero
de capas
1 10
Micras
Exfoliacin
qumica
Proceso
Movilidad
electrnica
2
-1
Temperatura
Precursor
-1
(cm V s )
> 210
Informacin de mercado
de proceso
Mercado
Escalabilidad
Transferencia
Grafito
(HOPG)
(%)
No
Si
100
0,1
12
(para lmina
hojuelas
de hojuelas
solapadas)
solapadas)
Micras
Reduccin de
xido de
(infinita como
lmina de
grafeno
hojuelas
(para lmina
de hojuelas
solapadas)
solapadas)
~ 100
12
Grafito
Si
Si
1000
10000
compuestos,
recubrimientos,
almacenamiento
Materiales
xido de
grafito
100 (reduccin
qumica)
de
21
Si
Si
compuestos,
recubrimientos,
almacenamiento
de
21
energa, biomedicina.
Electrnica,
~ 1000
55,2
energa, biomedicina.
CH4
1000
Si
Si
vapor
Crecimiento
epitaxial
Investigacin
Materiales
Deposicin
qumica de
abarcable
(C)
(infinita como
lmina de
Aplicaciones
fotnica,
generacin de energa,
23,7
sensores, biomedicina.
100
50
14
10000
SiC
1500
An no
No
Electrnica, fotnica.
sobre SiC
Tabla 4.1: Comparacin los diferentes procesos de produccin de grafeno segn distintos criterios. [19,20,21,22,23,24]
13
Pg. 51
! =
! !"
(Ecuacin 4.1)
!!!
!
!" 1 4 j
Cada criterio se ha puntuado, a partir de la informacin de la tabla 4.1, con valores enteros
entre 1 y 4, de forma que 1 es el peor valor posible y 4 el mejor. Cabe aadir que el anejo
B.1 recoge las distintas ponderaciones que se han dado a los criterios de comparacin,
dando prioridad a la calidad mostrada por el grafeno producido por cada alternativa, a la
escalabilidad del mtodo de fabricacin, y a la informacin de mercado. En cada caso se
incluye una justificacin del coeficiente elegido. Por otra parte, las puntuaciones individuales
de cada uno de los criterios, para cada mtodo de fabricacin, se incluyen en el anejo B.2.
Los resultados obtenidos se pueden comprobar de forma grfica en la siguiente figura:
70
60
60
50
49
44
Exfoliacin mecnica
48
43
Exfoliacin qumica
40
30
Reduccin
de
xido
de
grafeno
20
10
0
Puntuacin
total
Figura 4.1: Puntuaciones totales obtenidas por los distintos procesos de produccin que se
han comparado.
Pg. 52
4.1.3.
Memoria
Eleccin
Pg. 53
Normativa europea
Pg. 54
4.2.2.
Memoria
Normativa estatal
Pg. 55
Pg. 56
Memoria
4.3.1.
[25]
fabricacin de grandes superficies de grafeno. Est dividido en varias fases, siendo las
principales: el tratamiento del substrato (limpieza y recocido), la propia deposicin del
carbono, el corte de la superficie, y la transferencia a otro substrato. Aunque no se han
incluido como parte del proceso, se prevn una etapa de calibrado y una caracterizacin del
producto (es decir, un control de calidad), sta ltima para comprobar la calidad y
reproducibilidad del grafeno fabricado.
Como substrato se utilizarn lminas flexibles de cobre, de grosor 25 m. El cobre presenta
una baja solubilidad de carbono (0,008% en peso a 1084C, como se puede apreciar en el
anejo A.5), por lo que la deposicin qumica de vapor sera un proceso superficial; una
consecuencia de esto que es que el proceso es autoinhibido: cuando los tomos de carbono
depositados sobre el substrato ocupan la totalidad de la superficie, no se producen ms
deposiciones. Tambin es un buen catalizador para distintas formas alotrpicas de carbono,
y es ms propicio para la formacin de grafeno monocapa que, por ejemplo, el nquel.
Adems, se ha determinado que al tratarse de un proceso superficial, el grosor del substrato
de cobre no tiene implicaciones en la calidad final de grafeno.
[26]
De esta forma, el
Pg. 57
ha decidido, por tanto, utilizar lminas de estas medidas para la produccin; si luego se
requiere de una superficie especfica de grafeno, se recurrir a una etapa de corte.
Respecto las fases referentes al tratamiento del substrato, se recuerda que la deposicin
qumica de vapor es un proceso muy sensible a las condiciones iniciales, siendo la calidad
de las lminas de cobre una de ellas. Si bien an no estn del todo claros los mecanismos
que ocurren con el uso de este substrato, se ha comprobado experimentalmente que una
mejor calidad lleva a una mejor calidad del grafeno producido (el anejo A.6 da cuenta de
ello). Se trabajar por tanto con materiales de alta pureza.
1. Limpieza del substrato: En primer lugar se busca eliminar las posibles impurezas
presentes en las lminas de cobre. Por este motivo se ha decidido tratarlas con
varios solventes. stos se dispondrn en diversas cubetas de laboratorio, de
medidas suficientemente grandes como para sumergir completamente las lminas.
Se seguir un orden propuesto experimentalmente, que ha demostrado una
influencia positiva en la calidad del grafeno final.
[27]
prescindir del uso de cido ntrico por motivos de toxicidad (la reaccin con el cobre
producira dixido de nitrgeno), y utilizar cido actico para eliminar impurezas, que
tambin es efectivo [28]:
a. cido actico: Se utiliza para eliminar xidos nativos presentes en la
superficie de la lmina de cobre. (Se arguye que los xidos disminuyen la
actividad cataltica del substrato durante la reaccin.) Se sumergirn las
lminas en cido actico durante 10 minutos. Las ecuaciones 4.2 y 4.3
muestran la reduccin de xidos de cobre utilizado cido actico:
+ 2! (! )! + !
Ecuacin 4.2.
! + 4! 2(! )! + ! + !
Ecuacin 4.3.
Pg. 58
Memoria
Pg. 59
4. Corte: Si bien las lminas de grafeno producidas tienen una superficie determinada,
se puede recurrir a una etapa de corte para adecuar las medidas a las peticiones del
cliente. La flexibilidad del substrato de cobre hace que se trate de un procedimiento
simple, que se llevar a cabo con un instrumento de corte de precisin. Se ha
decidido utilizar en este caso un equipo manual, ya que permitir mayor flexibilidad a
la hora de cortar los substratos. Esto contribuir a su vez a una menor generacin de
residuos.
5. Transferencia: En primer lugar, se coloca un adhesivo trmico sobre la superficie de
la lmina de cobre donde se ha depositado el grafeno. Esto se lleva a cabo con una
prensa de rodillos (en ingls, nip rolls), aplicando una presin de 0,2 MPa. (El
adhesivo utilizado acta de manera normal a temperatura ambiente, pero si se
calienta a una cierta temperatura lmite, resulta muy fcil de separar. Adems, no
daa el substrato final donde se colocar el grafeno. Se propone el uso de adhesivo
trmico de la marca japonesa Nitto Denko Corporation, cuyo comportamiento se
ilustra en el anejo A.7.) El siguiente paso consiste en remover el substrato de cobre
con un bao de cloruro frrico (FeCl3), un compuesto utilizado ampliamente en el
campo de la electrnica. Para asegurarnos que se elimina todo el cobre, se ha
decidido prolongar el bao durante 30 minutos, en vista de otros resultados
experimentales. [30,31] La reaccin que ayuda a eliminar el cobre es la siguiente:
2! + 2! + !
Ecuacin 4.4.
Pg. 60
Memoria
[25]
Pg. 61
4.3.2.
Capacidad de produccin
Tiempo de ciclo: Para las lminas de cobre que se utilizarn como substrato (de
superficie 3000 cm2), el tiempo total de proceso se estima en 100 minutos. Este valor
podra verse reducido, al considerarse que algunas fases pueden realizarse en
paralelo (por ejemplo, el enfriamiento y la limpieza de un nuevo substrato). Se ha
tenido en cuenta una etapa de purga con gas inerte (en este caso, nitrgeno) de las
vas, al finalizar cada ciclo.
Etapa
13
Recocido
50
Deposicin qumica
30
Enfriamiento
Purga
Total
100
Tabla 4.2: Tiempo estimado de ciclo, dividido por etapas. nicamente se han considerado
las etapas imprescindibles para la fabricacin de grafeno. Se han considerado 50 minutos
en la etapa de recocido por el tiempo que tarda el reactor en llevar la presin y temperatura
interiores a los valores requeridos.
Das laborables: Se han considerado 250 das laborables al ao, as como 8 horas al
da disponibles para la produccin. En base a esto ltimo, se podrn llevar a cabo,
aproximadamente, 5 ciclos diarios.
Por tanto, la capacidad de produccin de esta planta piloto se ha estimado en 375 m2/ao
de grafeno sobre un substrato de cobre. (Se recuerda que no se han considerado las etapas
de corte, transferencia a otros substratos, o almacenamiento, si bien stas se podran
realizar en paralelo.) Sin embargo, esta capacidad podra aumentar con la ampliacin de
horarios de produccin, estableciendo, por ejemplo, otro turno de trabajo.
Pg. 62
4.3.3.
Memoria
Diagrama de flujo
Superficie de
SI
otro
tamao
Corte
NO
Transferencia a
(Cizalla de precisin)
SI
otro substrato
NO
Almacenamiento
Transferencia
(Laminadora
al
calor,
cubetas)
Control de calidad
4.3.4.
Pg. 63
Maquinaria
La maquinaria elegida para la planta piloto debe ser capaz, en condiciones nominales, de
cumplir con el proceso de produccin que se ha propuesto. Se ha decidido recurrir a la
compra de la maquinaria a empresas externas, pues se ha considerado que la fabricacin
propia implicara una mayor inversin de tiempo y dinero. A continuacin se presentan los
equipos ms relevantes del proceso, y una eleccin justificada entre los disponibles en el
mercado. (En lo que respecta a la compatibilidad del proceso con los equipos
seleccionados, se ampla la informacin en el anejo C.1.)
Reactor de deposicin qumica: Se trata del dispositivo que gracias a una cierta
temperatura, permite la disociacin del precursor gaseoso entrante (en este caso,
metano) y su deposicin sobre un substrato determinado. Para el proceso propuesto
se requiere un reactor de dimensiones suficientes para el substrato propuesto, que
adems pueda trabajar a bajas presiones y que permita alcanzar los 1000C
necesarios. Tambin debe permitir la entrada simultnea de los dos gases que se
utilizarn (CH4 y H2). Otro de los puntos importantes del proceso propuesto es la
posicin que ocupar el substrato (se recuerda que el substrato de cobre es muy
delgado y, por tanto, flexible) dentro del reactor. El anejo A.8 recoge las
caractersticas de los distintos modelos que se han considerado para la planta piloto;
si bien ninguno de los modelos se adapta perfectamente a las necesidades, todos
los fabricantes ofrecen la personalizacin de los equipos. Por ello se ha elegido
como equipo de base el modelo planarGROW-6E del fabricante planarTECH:
Pg. 64
Memoria
Cmara
Entrada de gas
Control de
presin
Unidad de
control
Seguridad y
refrigeracin
Dimensiones y
requerimientos
-Tubo de cuarzo
-Tres
-Sistemas
-Ordenador
-Enfriamiento
-Dimensiones:
(dimetro 6).
controladores de
de medicin
integrado (MS
por agua.
1750 mm x 1600
flujo msico
y regulacin
Windows XP Pro,
-Volumen del
(Celerity
ATOVAC.
-Sistema de
TN2900) para:
hidrgeno
Core2Duo, 2GB
RAM).
alarmas y
-Masa: 200 kg
sealizacin de
errores.
(aproximado).
x ancho): 500 x
500 x 350 (en
mm).
(mximo 100
-Controlador
de presin y
sccm), metano
flujo
-Controlador
-Requerimientos
(mximo 200
GPC3000.
lgico
elctricos: 220V,
programable con
50/60 Hz,
-Bomba
interfaz para el
trifsico, 30A.
rotativa WS
software instalado
(National
-Requerimientos
-Calentador:
sccm), argn
filamento Kanthal
(mximo 1000
sccm).
mm x 750 mm.
de vidrio.
-Entrada
Automa
W2V60 (600
-Temperatura
adicional para
litros/min).
mxima: 1450C.
un cuarto gas.
Instruments
LabVIEW
adicionales: Aire
2
(4-5 kgf/cm , tubo
Interface).
de ), agua (2-3
2
-Presin
-Termopar: Tipo K
-Tuberas de
mnima:
(dimetro interno
acero inoxidable.
510 torr
-4
kgf/cm , tubo de
-Monitor Samsung
).
E1920R de 19.
de 6,5 mm).
-Cinco vlvulas
-Zona de
calentamiento
de diafragma.
nica ( 100 x
350 mm).
-Compuerta
manual.
Tabla 4.3: Especificaciones bsicas del reactor de deposicin qumica planarGROW6E. (Fuente: Y. Jaret Lee, planarTECH.) [32]
Pg. 65
dos tubos de cuarzo, concntricos, de forma que el gas fluya nicamente entre
ellos. El substrato se envolver al tubo de menor tamao; de esta forma se
conseguir aprovechar tanto el espacio interior de la cmara como la
homogeneidad radial de la temperatura que asegura el fabricante. Se propone,
por tanto, un tubo interior de dimetro 200 mm, lo que permitir dar cabida a la
totalidad del substrato. (Como dimetro del tubo exterior se propone 220 mm.)
Tanto para colocar la lmina de cobre como para extraerla, el tubo interior se
deber sacar manualmente del reactor.
b. Zona de calentamiento: Se ampliar para permitir que la lmina de cobre se
pueda encontrar, completamente, dentro de una zona de igual temperatura. Por
ello se ampliar la longitud de la zona de calentamiento hasta 600 mm. (Se tiene
en cuenta que esto puede conllevar a un aumento de las dimensiones totales del
reactor; sin embargo, para este estudio preliminar, se han conservado las
dimensiones del equipo estndar.)
Las figuras que se presentan a continuacin clarifican las modificaciones que se
proponen:
= 200 mm
=
220
mm
Figura 4.5: Seccin transversal del doble tubo de cuarzo que se propone para el
reactor de deposicin qumica. El tubo interior tendr un dimetro de 20 cm; el
exterior de 22 cm. La zona entre estos dos tubos, sealada en azul, es por la que
fluirn los gases.
Pg. 66
Memoria
L = 600 mm
Salida de gas: Los gases que salen del reactor se encuentran a temperaturas
elevadas y contribuyen al calentamiento global, por lo que es necesaria su
adecuacin. Para llevar esto a cabo y minimizar su impacto ambiental se ha decidido
utilizar un equipo de descomposicin de gases de la empresa EBARA, en concreto
el modelo G5 que se presenta a continuacin. Se trata de un dispositivo que adeca
los gases de saluda gracias a una combustin y un posterior enfriamiento mediante
las duchas de agua del depurador en hmedo. Este ltimo, adems, elimina posibles
partculas contaminantes que puedan encontrarse en el gas. Los gases residuales
podrn evacuarse mediante un sistema de extraccin conectado a la salida de este
equipo.
Pg. 67
Figura 4.8: Diagrama de flujo del sistema de adecuacin de los gases de salida. Se
observa un reactor donde se realiza una combustin de los gases, a lo que sigue un
depurador hmedo que elimina las partculas contaminantes y enfra el flujo con
duchas de agua . (Fuente: Rudolf Naversnik, EBARA Precision Machinery.) [33]
Pg. 68
Memoria
350 l/min
Puertos de entrada
Dimensiones
Potencia mxima
1,7 kW
Masa
550 kg
Requerimientos
Pg. 69
1 mm
Capacidad de bancada
800 mm
Masa
41 kg
Dimensiones
Pg. 70
Memoria
del fabricante Royal Sovereign, una laminadora diseada para distintas aplicaciones
comerciales y que permite el control de presin y temperatura, adems de ajustarse
a las necesidades del proceso, como se comprueba a continuacin:
Ancho de laminado
685 mm
10 mm
Masa
71 kg
Dimensiones
Potencia
1,5 kW
Control de temperatura
Digital ( de 0 a 150C)
Control de presin
Manual
4.3.5.
Pg. 71
Ubicacin
Como ubicacin de la actividad industrial se ha decidido optar por el alquiler de un local que
se adece a las necesidades de la propuesta. Por este motivo se ha evaluado la posibilidad
de implantacin en el Parc Tecnolgic del Valls, que ofrece espacios modulares para la
realizacin de proyectos tecnolgicos. Gracias a una visita guiada se ha obtenido
informacin relativa a los espacios, en cuanto a su superficie, precio, y servicios incluidos; se
especifican estos datos en el anejo A.10. A travs del Programa de Creacin y
Consolidacin de Empresas de Base Tecnolgica, la institucin ofrece descuentos sobre el
alquiler a compaas de menos de 3 aos de antigedad, de la siguiente forma: 30%
durante el primer ao de alquiler, 15% durante el segundo y 5% durante el tercero.
Han sido diversos los motivos por los cuales se propone como ubicacin de la planta piloto:
precio de alquiler competitivo, con atractivos descuentos para empresas de nueva creacin;
proximidad a una importante va de acceso, como es la AP-7; proximidad a otros proyectos
e instituciones de inters tecnolgico, como la Universitat Autnoma de Barcelona y el
sincrotrn ALBA, adems de las empresas ubicadas en el mismo parque. Tambin se ha
valorado de forma positiva la gran variedad de servicios incluidos (e.g. salas de reuniones,
lavabos, recepcin, entre otros) lo que permite concentrar los recursos disponibles en la
actividad propuesta.
Finalmente se ha optado por un mdulo rectangular de 30,15 m2, con el alquiler adicional de
uno de los pequeos almacenes que se ofertan (de superficie 11 m2, tambin rectangular),
espacios para los cuales se propone, en el siguiente apartado, una cierta distribucin
interna.
4.3.6.
Distribucin interna
Gracias a los diferentes servicios que ofrece el Parc Tecnolgic del Valls, se puede
emplear la totalidad de la superficie en las distintas tareas especficas de la actividad
industrial: el centro cuenta con salas de reuniones, lavabos, comedores, duchas, entre otros
servicios, que estn a disposicin del personal de las iniciativas que se alojan en l. Por
tanto, se propone en este apartado una distribucin interna de la planta piloto
(complementada a la vez por los dibujos lineales presentados al final de este apartado) en la
que el espacio de 11 m2 ser utilizado como almacn, mientras que el mdulo principal de
superficie 30,15 m2 (y de dimensiones 9 m x 3,35 m) alojar la zona de produccin y la zona
administrativa del proyecto. Se destaca que el mdulo principal cuenta con un nico acceso,
suficientemente amplio para la entrada y salida de la maquinaria y las necesidades, as
como su iluminacin natural gracias a una amplia ventana al exterior.
Pg. 72
Memoria
Las figuras 4.11 y 4.12 presentadas a continuacin son dibujos lineales de la distribucin
propuesta:
Pg. 73
Figura 4.11: Dibujo lineal de la distribucin en planta de la planta piloto. Si bien no se ha mantenido una escala, se ha conservado la
proporcionalidad real de todos los elementos dibujados. (Dimensiones en metros.)
Pg. 74
Memoria
Figura 4.12: Dibujo lineal de la distribucin de la maquinaria. Si bien no se ha mantenido una escala, se ha conservado la proporcionalidad
real de todos los elementos dibujados. (Dimensiones en metros.)
Pg. 75
5. Anlisis econmico
5.1. Coste del estudio
Para evaluar el coste que ha tenido el presente estudio preliminar se han contabilizado de
forma detallada los distintos recursos invertidos en su realizacin. De esta forma, se puede
distinguir entre horas de trabajo (segn las tareas realizadas y los profesionales implicados
en cada una de ellas), equipo utilizado, material requerido. Se ha tenido en cuenta un tiempo
de amortizacin para el equipo informtico y el software utilizado, con el fin de impactar su
coste relativo a la duracin del estudio. A continuacin se presentan una serie de tablas que
detallan los distintos costes:
Profesional
Tareas asociadas
Horas invertidas
[h]
Coste
[/h]
Subtotal
[]
350
16
5600,00
12
14
168,00
210
10
2100,00
Industrial
propuesta presentada.
-Visita al Parc Tecnolgic del Valls.
Delineante
Administrativo
TOTAL
7868,00
Tabla 5.1: Costes del estudio relativos a las horas invertidas en las distintas tareas
realizadas. Los costes horarios por profesional se han estimado a partir de los salarios
medios del sector privado, por profesional, publicados por el Instituto Nacional de
Estadstica. [36]
Pg. 76
Memoria
Concepto
Equipo informtico
Descripcin
Utilizacin de un ordenador porttil durante la realizacin
Subtotal []
60,00
130,00
150,00
50,00
50,00
el presente estudio.
Impresin y
150,00
encuadernacin
TOTAL
590,00
Tabla 5.2: Costes del estudio relativos al equipo y material utilizado. Se ha tenido en cuenta
un tiempo de amortizacin para el equipo informtico y las licencias del software, a partir de
una duracin aproximada del estudio de 6 meses y un tiempo de amortizacin total de 5
aos.
Se obtiene, como total del coste del presente estudio, la cantidad de 8.458 . Se incluir
como parte del presupuesto de inversin del proyecto, detallado en el apartado 5.2.
Pg. 77
Concepto
Costes del
Descripcin
Subtotal []
Estudio preliminar
8.458,00
Reactor de deposicin
qumica de vapor
88.695,00
Abatidor de gases
50.000,00
estudio
Costes de equipo
y material
Cizalla de guillotina
Laminadora al calor
375,00
2.591,50
2.500,00
600,00
Adecuacin de la
5.000,00
instalacin
Costes de
instalacin
Mobiliario
5.000,00
1.000,00
49.265,85
imprevistos
TOTAL
213.485,35
Tabla 5.3: Desglose de los costes relativos a la inversin necesaria para la puesta en
marcha de la planta piloto.
Pg. 78
Memoria
Precio de venta: Debido a la gran variabilidad de los precios del grafeno, tanto en el
tiempo como entre las distintas empresas consultadas (e.g. las citadas en el
apartado 3.6, as como las pginas web de Bluestone Global Tech y Graphene
Platform) sin entrar siquiera a comparar la calidad de los productos se ha decidido
establecer el precio de venta a partir de un margen comercial del 20% sobre el total
de gastos, detallados en la tabla 5.4. Como primera aproximacin, no se har
distincin de precio entre los distintos substratos ofertados (cobre, PET y SiO2/Si), a
pesar de que en dos casos implique una etapa adicional.
(1 + )!
(1 + )! 1
(Ecuacin 5.1)
Pg. 79
Concepto
Alquiler
Consumos
Amortizaciones
Gastos de
personal
Descripcin
Mdulo principal, pequeo almacn y
gastos adicionales (vase el anejo A.10).
Consumos de luz y agua (vanse los
anejos A.10 y C.2).
Reflejo de la prdida de valor de la
inversin realizada.
Subtotal [/ao]
13.600,00
6.000,00
27.647,33
60.000,00
30.000 /empleadoao.
Gastos
Materias
primas
300.000,00
Otros
50.000,00
externo.
Servicio externo de gestin de residuos.
Ingresos (margen comercial = 20%)
548.696,80
91.449,47
22.862,37
68.587,10 /ao
Pg. 80
Memoria
! =
!!!
!
!
(1 + )!
(Ecuacin 5.2)
:
!
!
Por otra parte, para el caso que se presenta en este estudio econmico, el flujo de caja se
calcula segn la expresin 5.3:
! = +
(Ecuacin 5.3)
Pg. 81
propuesta de planta piloto est sujeta a un tiempo de vida acotado por el valor
mencionado.
Ingresos y gastos: A partir de las previsiones de crecimiento del sector del grafeno, y
Ao 0
Ao 1
Ao 2
Ao 3
Ao 4
Ao 5
213.485,35
Gastos
457.247,33
466.392,28
475.720,12
485.234,52
494.939,22
Ingresos
548.696,80
548.696,80
548.696,80
548.696,80
548.696,80
-213.485,35
91.449,47
82.304,52
72.976,68
63.462,28
53.757,58
22.862,37
20.576,13
18.244,17
15.865,57
13.439,40
-213.485,35
68.587,10
61.728,39
54.732,51
47.596,71
40.318,19
27.647,33
29.029,70
30.481,18
32.005,24
33.605,50
Flujo de caja
-213.485,35
96.234,43
90.758,09
85.213,69
79.601,95
73.923,69
-213.485,35
-117.250,92
-26.492,83
58.720,86
138.322,81
212.246,50
Inversin
Margen bruto
Impuesto sobre sociedades
Margen neto
Amortizaciones
Pg. 82
Memoria
Finalmente, a partir de los flujos de caja resultantes de la tabla 5.5 y la inversin inicial
prevista en el apartado 5.2, as como de un horizonte de tiempo de 5 aos y una tasa de
inters anual del 5%, se ha calculado un VAN de 157.507,41 , como se muestra a
continuacin:
! =
!!!
!
96.234,43
90.758,09
85.213,69
79.601,95
73.923,69
! = 213.485,35 +
+
+
+
+
(1 + )!
1 + 0,05 !
1 + 0,05 !
1 + 0,05 !
1 + 0,05 !
1 + 0,05 !
= . ,
Se puede concluir que, para un horizonte de evaluacin del proyecto de 5 aos, y bajo los
supuestos que se han expuesto anteriormente, la inversin es rentable.
!!!
!
! = 0
(1 + )!
(Ecuacin 5.4)
:
!
!
La Tasa Interna de Rentabilidad del proyecto, para los datos y supuestos considerados, es
de 30,21%. Esto confirma la viabilidad econmica del proyecto, pues el valor es superior al
coste del capital (i.e. tasa de inters) supuesto.
Pg. 83
= +
(Ecuacin 5.5)
: .
:
: .
Pg. 84
Memoria
6. Anlisis medioambiental
Para evaluar el impacto ambiental de la actividad industrial que se propone, se han
identificado los distintos residuos derivados de la produccin de grafeno. Como se
comprobar en este apartado, se ha hecho una estimacin numrica de los residuos
producidos en las mltiples etapas del proceso. En cualquier caso, se prev que durante la
etapa de puesta en marcha y calibrado del proceso se lleve a cabo un anlisis de todos los
residuos producidos, para verificar que las estimaciones han sido acertadas.
Teniendo en cuenta la normativa vigente, a travs de la Ley 16/2002 de prevencin y control
integrados de la contaminacin, las autoridades competentes deben regular, para todas las
actividades implicadas, la Autorizacin Ambiental Integrada (AAI). Esta resolucin permite la
explotacin de una instalacin industrial bajo unas ciertas condiciones (entre ellas, la
produccin y gestin de residuos). Se deber solicitar una AAI antes de comenzar el
montaje de la planta piloto; en el caso de Catalunya, se tramita a travs del organismo
autonmico competente. El anejo III de la Ley mencionada proporciona una lista de las
principales sustancias contaminantes que se tomarn obligatoriamente en consideracin si
son pertinentes para fijar valores lmite de emisiones, por lo que se ha incluido en el anejo
E.2 de este estudio preliminar. Los valores lmite de emisin se basarn en las mejoras
tcnicas disponibles, las caractersticas tcnicas de la instalacin y las condiciones
geogrficas locales.
Figura 6.1: Clasificacin de las sustancias residuales de los complejos industriales, para las
cuales se exige notificar a las autoridades competentes. (Fuente: PRTR-Espaa.)
Pg. 85
Sustancia
Emisiones [kg/ao]
Dixido de carbono
1,967
Metano
Hidrgeno
0,056
Vapor de agua
1,610
Nitrgeno
37,518
Tabla 6.1: Emisiones atmosfricas estimadas, cuyo clculo se encuentra en el anejo E.1.
Pg. 86
Memoria
Sustancia
Emisiones [kg/ao]
cido actico
11.748,8
Agua desionizada
22.400
Acetona
8.848
Pg. 87
Alcohol isoproplico
8.806,56
223,4
168,48
Tabla 6.2: Estimacin total de sustancias susceptibles a ser emitidas al agua, cuyo clculo
se encuentra en el anejo E.1.
Entre las sustancias contaminantes tomadas en consideracin por la Ley 16/2002, respecto
las emisiones al agua, se pueden encontrar metales y sus compuestos (hierro y cobre) y
sustancias que ejercen una influencia desfavorable sobre el balance de oxgeno (acetona,
que a pesar de evaporarse rpidamente, de no ser bioacumulable y de producirse de
manera natural, puede afectar el balance de oxgeno acutico por consumo microbial). Las
dems sustancias no estn consideradas como emisiones principales de riesgo.
La complejidad aadida a la gestin de estos residuos reside en que en algunos casos se
encuentran mezclados entre s. Por esto, y con el objetivo de disponer de ellos de la forma
menos daina para el medio ambiente, se ha optado por un servicio de gestin externo. Las
sustancias sern almacenadas de forma conveniente y segura hasta su recogida. El impacto
econmico de esta decisin se toma en cuenta en el apartado 5 del estudio.
Pg. 88
Memoria
[38]
Teniendo en
cuenta las horas de funcionamientos anuales de la planta piloto (8 horas diarias durante 250
das), se ha calculado un equivalente en emisiones de 7482,76 kg(CO2)/ao. Se comprueba
que este valor es muy superior a las emisiones de dixido de carbono derivadas del proceso
de produccin.
El fin de vida til del equipo y los materiales de la planta piloto generarn residuos de ndole
variada. Se promover en cualquier caso una buena gestin de la maquinaria, a fin de
maximizar su vida til, y un consumo responsable basado en la reduccin, la reutilizacin y
el reciclaje.
Por ltimo, el tiempo invertido, las horas dedicadas y el material utilizado en la elaboracin
de este estudio preliminar tambin se han considerado como parte del impacto ambiental
del proyecto.
Pg. 89
Conclusiones
El inters de la industria por el grafeno, debido a sus numerosas aplicaciones en diversos
sectores tecnolgicos, ha propiciado la bsqueda de un mtodo para fabricarlo que
armonice a la vez unos costes de produccin moderados y una alta calidad del producto
final. Partiendo de esta intencin, con el objetivo de adelantarse a las necesidades
inminentes de un mercado global, se ha presentado, mediante este estudio preliminar, una
propuesta de planta piloto para la produccin de grafeno.
Despus de un proceso investigativo se compararon los distintos procesos de produccin,
para finalmente elegir como mtodo propuesto la deposicin qumica de vapor, basado en el
flujo de gas metano dentro de un reactor y la deposicin de sus tomos de carbono sobre un
substrato de cobre. En cuanto a la comparacin de procesos, se valoraron la calidad del
grafeno final, las caractersticas del procedimiento, y el enfoque mercantil.
La propuesta de un proceso definido, orientado a un producto de alta calidad para,
principalmente, la industria electrnica y fotnica, justifica la viabilidad tcnica de la planta
piloto, para la cual se ha definido el equipamiento necesario y se ha estimado una capacidad
de produccin de grafeno de 375 m2/ao. Tambin se ha determinado, de forma razonada,
una hipottica ubicacin (en el Parc Tecnolgic del Valls) y la distribucin interna de la
planta.
Los resultados del anlisis econmico, cuyos pilares fundamentales han sido la
determinacin de los costes del estudio, la estimacin de la inversin, la previsin de
explotacin anual, y el estudio de la rentabilidad, han aadido argumentos a favor de la
viabilidad del proyecto. Entre estos resultados cabe destacar que se prev recuperar la
inversin inicial durante el tercer ao de actividad; tambin se ha constatado la creacin
positiva de valor, respecto un horizonte de evaluacin determinado y bajo una serie de
supuestos justificados.
Por otra parte, se ha cuantificado, en la medida de lo posible, el hipottico impacto ambiental
de la actividad propuesta. Tambin se han presentado soluciones para minimizarlo, y
cumplir con la normativa vigente.
Como recomendaciones futuras, se sugiere el anlisis exhaustivo de las variables de la
deposicin qumica de vapor para la produccin de grafeno, por su gran implicacin en la
calidad del grafeno final y por desconocerse con exactitud la base terica que las explica. Se
aade que, al tratarse de una actividad industrial en proceso de maduracin, se considera
de mxima importancia la constante actualizacin de la informacin disponible, relativa a
avances tecnolgicos en el sector.
Pg. 90
Memoria
Pg. 91
Bibliografa
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Matter
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Manchester
Pg. 94
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